畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-基于單片機(jī)的RS422-CAN總線轉(zhuǎn)換器的研制_(2).pdf

1摘要，由CAN總線是近些年新興的一種串行現(xiàn)場(chǎng)總線于CAN總線的信號(hào)傳輸時(shí)間短，受干擾的概率低。當(dāng)節(jié)點(diǎn)錯(cuò)誤嚴(yán)重時(shí)，具有自動(dòng)關(guān)閉功能，以切斷該節(jié)點(diǎn)與總線的聯(lián)系，是總線上的其他節(jié)點(diǎn)及通信不受影響，具有將強(qiáng)的抗干擾能力。以上優(yōu)點(diǎn)使CAN總線成為最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。RS422是一種較早的集成式串行通訊協(xié)議，使用廣泛，很多變頻器、可編程控制器和各種智能儀表都帶有RS422接口。如果將其接入到CAN總線網(wǎng)絡(luò)中去，更換所有儀器儀表顯然很不明智。最為簡(jiǎn)單的是設(shè)計(jì)一種轉(zhuǎn)換器，它可以把RS422總線轉(zhuǎn)換成性能更好的、穩(wěn)定性更強(qiáng)的CAN總線，我們這次要設(shè)計(jì)的就是一種從RS422到CAN轉(zhuǎn)換的器件。它可以將儀表上傳輸過來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成CAN協(xié)議下的數(shù)據(jù)，并將其與發(fā)送到其他節(jié)點(diǎn)；也可以將總線上其他節(jié)點(diǎn)上的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綆в蠷S422的儀器儀表中。這種轉(zhuǎn)化器的價(jià)格低廉，性能優(yōu)異，在船體的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中有很廣泛的實(shí)際應(yīng)用。關(guān)鍵詞：CAN總線；轉(zhuǎn)換器；單片機(jī)；哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文2ABSTRACTABSTRACTTheCANbusisakindofnewdevelopingserialfiledbusinrecentyearsbecausethesignaltransmissiontimeoftheCANbusisshorttheprobabilityinterferedislow.Whenthenodalmistakeisseriousclosethefunctionautomaticallyinordertocutofftheconnectionbetweenthisnodeandthebusitdoesnotinfluenceothernodeandcommunicationofthebushavebetteranti-interferenceability.Theabove-mentionedadvantagesmaketheCANbusbecomeoneofthemostpromisingfiledbus.RS422isakindofearlierintegratingtypeserialcommunicationagreementanduseextensively.AlotoffrequencyconvertersprogrammablecontrollerandvariouskindsofintelligentinstrumentshaveRS422connect.IfinsertittotheCANbusnetworkitisobviouslyveryunwisetochangeallinstrumentandapparatus.ThesimplestonewayistodesignakindofconverteritcanchangeRS422busintotheCANbus.WhatwewilldesignisakindofdevicechangedfromRS422toCAN.ItcanchangethedataundertheRS422agreementintothedataundertheCANagreementandsendsittoothernodesTheCANbustransmitthedatatoothernodesonthebustotheinstrumentandapparatuswithRS422too.Thiskindoftransationdeviceischeapsothereisveryextensivepracticalapplicationinthedesignofthehull.KeyKeywordswords:CAN_busconverterSingle_ChipMicrocomputer哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文3目錄第一章緒論11.1組合導(dǎo)航的產(chǎn)生與發(fā)展11.2CAN總線和RS422總線在組合導(dǎo)航中的作用21.3RS422總線介紹31.3.1串行通訊和RS422系列標(biāo)準(zhǔn)31.3.2RS422電氣規(guī)定41.4CAN總線介紹61.4.1現(xiàn)場(chǎng)總線形成與發(fā)展61.4.2CAN總線工作方式與特點(diǎn)81.5RS422到CAN總線轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)111.5.1RS422到CAN總線轉(zhuǎn)換器意義111.5.2RS422到CAN總線轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)要求121.5.3RS422到CAN總線轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)方案13本章總結(jié)13第二章轉(zhuǎn)換器硬件設(shè)計(jì)152.1單片機(jī)及所用器件簡(jiǎn)介152.1.1C8051F040單片機(jī)的特點(diǎn)和應(yīng)用162.1.2PCA82C250總線收發(fā)器192.1.3通訊擴(kuò)展器件TL16C554222.1.4RS422轉(zhuǎn)換器件MAX1490A252.2電路設(shè)計(jì)軟件PROTEL99的使用方法262.2.1PROTEL99簡(jiǎn)介262.2.2電路板設(shè)計(jì)步驟272.2.3硬件電路原理圖的設(shè)計(jì)28哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文4本章總結(jié)28第三章轉(zhuǎn)換器的軟件設(shè)計(jì)293.1單片機(jī)軟件程序設(shè)計(jì)過程293.2所需器件的軟件和協(xié)議應(yīng)用303.3配置CAN寄存器323.3.1CAN報(bào)文對(duì)象初始化處理323.3.2發(fā)送與接受對(duì)象的配置333.3.3中斷處理353.3.4TL16C554初始化373.4轉(zhuǎn)換器工作原理流程圖383.5系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)413.5.1主程序413.5.2子程序部分423.5.3兩個(gè)中斷子程序43本章小節(jié)43第四章轉(zhuǎn)換器的調(diào)試45結(jié)論47參考文獻(xiàn)48致謝49附錄50哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文5哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文1第一章緒論1.1組合導(dǎo)航的產(chǎn)生和發(fā)展組合導(dǎo)航的產(chǎn)生和發(fā)展取決于客觀需要和現(xiàn)實(shí)可能性。近數(shù)十年來，世界上許多先進(jìn)工業(yè)國(guó)家，為了適應(yīng)航行和運(yùn)載工具的需要，先后研制出許多導(dǎo)航體制和設(shè)備，分別解決各自的特定任務(wù)。由于單一導(dǎo)航系統(tǒng)都存在自己的局限性，有所長(zhǎng)亦有所短，因此單一導(dǎo)航系統(tǒng)難于滿足現(xiàn)代航行的需要，所以要求有一種準(zhǔn)確、迅速、高性能的導(dǎo)航系統(tǒng)產(chǎn)生，這就是組合導(dǎo)航系統(tǒng)產(chǎn)生的客觀需要。從現(xiàn)實(shí)可能性來說，由于各種單一導(dǎo)航系統(tǒng)和設(shè)備的發(fā)展已經(jīng)處于成熟而穩(wěn)定的階段，它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)表現(xiàn)明顯。如慣性導(dǎo)航是自主式導(dǎo)航系統(tǒng)，不受外界干擾，相對(duì)精度比較高，但它的誤差隨時(shí)間積累；天文導(dǎo)航也是自主式導(dǎo)航系統(tǒng)，誤差不隨時(shí)間而增長(zhǎng)，但它受氣象條件和晝夜因素限制；無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)定位誤差不隨時(shí)間增長(zhǎng)，但受外界干擾影響較大；衛(wèi)星導(dǎo)航的精度高，容易做到全球、全天候?qū)Ш?，但它技術(shù)復(fù)雜，且目前使用的子午儀系統(tǒng)還不能連續(xù)提供導(dǎo)航信息，兩次定位間隔時(shí)間較長(zhǎng)；此外還有一些導(dǎo)航設(shè)備（羅經(jīng)、平臺(tái)羅經(jīng)、計(jì)程儀等）可提供單一的或少量的導(dǎo)航信息，他們已發(fā)展到完善階段。這些都給組合導(dǎo)航的形成提供了充分的條件。在組合導(dǎo)航系統(tǒng)中，狀態(tài)與噪聲都是隨機(jī)的，對(duì)來自眾多導(dǎo)航設(shè)備的導(dǎo)航信息要加以綜合處理，包括：對(duì)描述未來狀態(tài)的隨機(jī)信號(hào)的預(yù)測(cè)；隨機(jī)信號(hào)與隨機(jī)噪聲的分離，并將分離后的隨機(jī)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)等。解決這些隨機(jī)信號(hào)的估計(jì)，是提高導(dǎo)航性能的關(guān)鍵。為此，經(jīng)過多年的研究，直到本世紀(jì)60年代初卡爾曼提出哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文2最佳線性遞推估計(jì)濾波法，才為組合導(dǎo)航的實(shí)現(xiàn)提供了良好的數(shù)學(xué)工具，大大加速了組合導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展。當(dāng)前，廣泛使用的導(dǎo)航設(shè)備已基本處于穩(wěn)定時(shí)期，組合導(dǎo)航從原理到體制已趨于成熟，特別是電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展日新月異，使船舶導(dǎo)航系統(tǒng)日益完善。隨著微型計(jì)算機(jī)的這一異軍突起，組合導(dǎo)航系統(tǒng)將會(huì)開創(chuàng)一個(gè)新的局面。組合導(dǎo)航發(fā)展趨勢(shì)是日益小型化、數(shù)字化、全自動(dòng)化、既能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)，自動(dòng)轉(zhuǎn)換，自動(dòng)試驗(yàn)又能自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)記錄、自動(dòng)打印與標(biāo)繪等。還要指出，美國(guó)第二代衛(wèi)星導(dǎo)航的導(dǎo)航星全球定位系統(tǒng)GPS，在投入使用后，由于它能連續(xù)定位、精度高、全球全天候使用，又能提供速度、時(shí)間信息等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，以慣性導(dǎo)航和全球定位系統(tǒng)GPS為核心的組合導(dǎo)航，必將使組合導(dǎo)航系統(tǒng)跨入一個(gè)全新的時(shí)代。1.2CAN總線和RS422總線在組合導(dǎo)航中的應(yīng)用20年來電子計(jì)算機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展，并得到日益完善和廣泛的應(yīng)用，為組合導(dǎo)航的實(shí)時(shí)計(jì)算和控制創(chuàng)造了技術(shù)條件，因此，使組合導(dǎo)航系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)成為可能。由于采用多功能、多模式的體制。即將多種傳感器、多模式工作方式及資料實(shí)事處理、濾波和邏輯職能等計(jì)算技術(shù)結(jié)合為一個(gè)整體，形成集成化組合導(dǎo)航。再有是將組合導(dǎo)航系統(tǒng)與其它系統(tǒng)組合在一起，如與自動(dòng)航行系統(tǒng)、避碰系統(tǒng)、艦船控制系統(tǒng)及通訊監(jiān)視、作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)等的組合，已完成導(dǎo)航以外的更廣泛的功能，這將是未來所有艦船發(fā)展的方向。那么將如此多的器件與系統(tǒng)連接起來而形成一個(gè)完整的大系統(tǒng)，可以相互協(xié)調(diào)而同一工作，在連接上就要采用總線結(jié)構(gòu)?？偩€將艦船上各個(gè)導(dǎo)航設(shè)備按照一定的結(jié)構(gòu)連接起來，使其能相互通訊，從而使各個(gè)設(shè)備充分發(fā)揮它們的功能，更易于工作人員的控制，哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文3提高導(dǎo)航控制的自動(dòng)化。RS422總線和CAN總線就是廣泛采取的兩種總線結(jié)構(gòu)。它們都屬于串行總線，都具有良好的通訊能力。但RS422總線無(wú)論是連接方式、通訊距離、通訊效果、錯(cuò)誤檢測(cè)方面都不如CAN。本章將分別介紹RS422和CAN總線。1.3RS422總線介紹1.3.1串行通訊和RS422系列標(biāo)準(zhǔn)隨著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用和微機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，通信功能越來越顯的重要。這里所說的通信是只計(jì)算機(jī)與外界的信息交換。因此，通信既包括計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備之間，也包括計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)之間的信息交換。由于串行通信是在一根傳輸線上一位一位的傳送信息，所用的傳輸線少，并且可以借助現(xiàn)成的電話網(wǎng)進(jìn)行信息傳送，因此，特別適合于遠(yuǎn)距離傳輸。對(duì)于那些與計(jì)算機(jī)相距不遠(yuǎn)的人機(jī)交換設(shè)備和串行存儲(chǔ)的外部設(shè)備如終端、打印機(jī)、邏輯分析儀、磁盤等，采用串行方式交換數(shù)據(jù)也很普遍。在實(shí)時(shí)控制和管理方面，采用多臺(tái)微機(jī)處理機(jī)組成分級(jí)分布控制系統(tǒng)中，各CPU之間的通信一般都是串行方式。所以串行接口是微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)常用的接口。典型的串行接口的結(jié)構(gòu)如圖1.1所示圖1.1串行接口的結(jié)構(gòu)哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文4串行通訊的特點(diǎn)是：數(shù)據(jù)位傳送，傳按位順序進(jìn)行，最少只需一根傳輸線即可完成，成本低但傳送速度慢。串行通訊的距離可以從幾米到幾千米。根據(jù)信息的傳送方向，串行通訊可以進(jìn)一步分為單工、半雙工和全雙工三種。信息只能單向傳送為單工；信息能雙向傳送但不能同時(shí)雙向傳送稱為半雙工；信息能夠同時(shí)雙向傳送則稱為全雙工。串行通訊又分為異步通訊和同步通訊兩種方式。在單片機(jī)中，主要使用異步通訊方式。51系列單片機(jī)有一個(gè)全雙工串行口。全雙工的串行通訊只需要一根輸出線和一根輸入線。數(shù)據(jù)的輸出又稱發(fā)送數(shù)據(jù)（TXD），數(shù)據(jù)的輸入又稱接收數(shù)據(jù)（RXD）。串行通訊中主要有兩個(gè)技術(shù)問題，一個(gè)是數(shù)據(jù)傳送、另一個(gè)是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)傳送主要解決傳送中的標(biāo)準(zhǔn)、格式及工作方式等問題。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換是指數(shù)據(jù)的串并行轉(zhuǎn)換。具體說，在發(fā)送端，要把并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)；而在接收端，卻要把接收到的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)。1969年，美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)(EIA)公布了RS-232C作為串行通信接口的電氣標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)定義了數(shù)據(jù)終端設(shè)備(DTE)和數(shù)據(jù)通信設(shè)備(DCE)間按位串行傳輸?shù)慕涌谛畔?，合理安排了接口的電氣信?hào)和機(jī)械要求，在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。但它采用單端驅(qū)動(dòng)非差分接收電路，因而存在著傳輸距離不太遠(yuǎn)(最大傳輸距離15m)和傳送速率不太高(最大位速率為20Kbs)的問題。遠(yuǎn)距離串行通信必須使用Modem，增加了成本。在分布式控制系統(tǒng)和工業(yè)局部網(wǎng)絡(luò)中，傳輸距離常介于近距離(20m和遠(yuǎn)距離(2km)之間的情況，這時(shí)RS-232C（25腳連接器）不能采用，用Modem又不經(jīng)濟(jì)，因而需要制定新的串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)。1977年EIA制定了RS-449。它除了保留與RS-232C兼容的特點(diǎn)外，還在提高傳輸速率增加傳輸距離及改進(jìn)電氣特性等方面作了很大努力，哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文5并增加10個(gè)控制信號(hào)。與RS-449同時(shí)推出的還有RS-422和RS-423，它們是RS-449的標(biāo)準(zhǔn)子集。另外，還有RS-485，它是RS-422的變形。RS-422、RS-423是全雙工的，而RS-485是半雙工的。RS-422由RS-232發(fā)展而來，它是為彌補(bǔ)RS-232之不足而提出的。為改RS-232通信距離短、速率低的缺點(diǎn)，RS-422定義了一種平衡通信接口，將傳輸速率提高到10Mbs，傳輸距離延長(zhǎng)到4000英尺（速率低于100kbs時(shí)），并允許在一條平衡總線上連接最多10個(gè)接收器。RS-422是一種單機(jī)發(fā)送、多機(jī)接收的雙向、平衡傳輸規(guī)范，被命名為TIAEIA-422-A標(biāo)準(zhǔn)。1.3.2RS422電氣規(guī)定RS-422標(biāo)準(zhǔn)全稱是“平衡電壓數(shù)字接口電路的電氣特性”，它定義了接口電路的特性。圖1.2a是典型的RS-422四線接口，實(shí)際上還有一根信號(hào)地線，共5根線。分別是發(fā)送A（TXA）發(fā)送B(TXB)接收A（RXA）接收B(RXB)接地線GND9V電源線。圖1.2b是其DB9(九個(gè)引腳)連接器引腳內(nèi)部的差動(dòng)工作方式。由于接收器采用高輸入阻抗和發(fā)送驅(qū)動(dòng)器，比RS232更強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，故允許在相同傳輸線上連接多個(gè)接收節(jié)點(diǎn)，最多可接10個(gè)節(jié)點(diǎn)。即一個(gè)主設(shè)備（Master），其余為從設(shè)備（Salve），從設(shè)備之間不能通信，所以RS-422支持點(diǎn)對(duì)多的雙向通信，但是不支持多對(duì)多的通信。接收器輸入阻抗為4k，故發(fā)端最大負(fù)載能力是104k+100.（終端要接平衡電阻）。RS-422四線接口由于采用單獨(dú)的發(fā)送和接收通道，因此不必控制數(shù)據(jù)方向，各裝置之間任何必須的信號(hào)交換均可以按軟件方式（XONXOFF握手）或硬件方式（一對(duì)單獨(dú)的雙絞線）實(shí)現(xiàn)。若采用硬件握手會(huì)增加布線成本，以此如果通訊距離遠(yuǎn)，一般采取的是軟件握手的方式。哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文6圖1.2aRS-422四線接口圖1.2bDB9連接器引腳定義RS-422的最大傳輸距離為4000英尺（約1219米），最大傳輸速率為10Mbs。其平衡雙絞線的長(zhǎng)度與傳輸速率成反比，在100kbs速率以下，才可能達(dá)到最大傳輸距離。只有在很短的距離下才能獲得最高速率傳輸。一般100米長(zhǎng)的雙絞線上所能獲得的最大傳輸速率僅為1Mbs。RS-422需要一個(gè)終接電阻，要求其阻值約等于傳輸電纜的特性阻抗。在短距離傳輸時(shí)可不需終接電阻，即一般在300米以下不需終接電阻。終接電阻接在傳輸電纜的最遠(yuǎn)端。1.4CAN總線介紹1.4.1現(xiàn)場(chǎng)總線形成與發(fā)展隨著控制、計(jì)算機(jī)、通訊、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的發(fā)展，信息交換溝通的領(lǐng)域正在迅速覆蓋從工廠的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層到控制、管理的各個(gè)層次、覆蓋從工段、車間、工廠、企業(yè)乃至世界各地的市場(chǎng)。信息技術(shù)的飛速發(fā)展，引起了自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變革，逐步形成以網(wǎng)絡(luò)集成自動(dòng)化系統(tǒng)為基礎(chǔ)的企業(yè)信息系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)總線(fieldbus)就是順應(yīng)這一形勢(shì)發(fā)展起來的新技術(shù)。現(xiàn)場(chǎng)總線是當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一，被譽(yù)為自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)。它的出現(xiàn)，標(biāo)志著工業(yè)控制技術(shù)領(lǐng)域有一個(gè)新時(shí)代的開始，并將對(duì)該領(lǐng)域的發(fā)展產(chǎn)生重要影響。現(xiàn)場(chǎng)總線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)、在微機(jī)化測(cè)量控制之間實(shí)現(xiàn)雙向串行多哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文7結(jié)點(diǎn)數(shù)字通訊的系統(tǒng)，也被稱為開放式、數(shù)字化、多點(diǎn)通訊的底層控制網(wǎng)絡(luò)。它在制造業(yè)、流程工業(yè)、交通、樓宇等方面的自動(dòng)化系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用前景?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)將專用微處理器植入傳統(tǒng)的測(cè)量控制儀表，使他們各自都具有了數(shù)之計(jì)算和數(shù)字通訊能力，采用了可進(jìn)行簡(jiǎn)單連接的雙絞線等作為總線，把多個(gè)測(cè)量?jī)x表聯(lián)接成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并按公開、規(guī)范的通訊協(xié)議，在位于現(xiàn)場(chǎng)的多個(gè)微機(jī)化測(cè)量控制設(shè)備之間以及現(xiàn)場(chǎng)儀表與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)之間，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和信息交換，形成各種適應(yīng)實(shí)際需要的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。簡(jiǎn)而言之，他把單個(gè)分散的測(cè)量控制設(shè)備變成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，以現(xiàn)場(chǎng)總線為紐帶，把它們連接成可以相互溝通信息、共同完成自控任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。給自動(dòng)化領(lǐng)域帶來的變化，正如眾多分散的計(jì)算機(jī)被網(wǎng)絡(luò)連接到一起，使計(jì)算機(jī)的功能、作用發(fā)生的變化。現(xiàn)場(chǎng)總線則使自控系統(tǒng)與設(shè)備具有了通訊能力，把它們連接成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，加入到信息網(wǎng)絡(luò)的行列。因此把現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)說成是一個(gè)控制技術(shù)新時(shí)代的開端并不過分。現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)既是一個(gè)開放的通訊網(wǎng)絡(luò)，又是一種全分布控制系統(tǒng)。它作為智能設(shè)備的聯(lián)系紐帶，把作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的職能設(shè)備連接為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并進(jìn)一步構(gòu)成自動(dòng)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)基本控制、補(bǔ)償計(jì)算、參數(shù)修改、報(bào)警、顯示、監(jiān)控、優(yōu)化及控管一體化的綜合自動(dòng)化功能。他是一項(xiàng)以智能傳感器、控制、計(jì)算機(jī)、數(shù)字通訊、網(wǎng)絡(luò)為主要內(nèi)容的綜合技術(shù)。由于現(xiàn)場(chǎng)總線適應(yīng)了工業(yè)控制系統(tǒng)向分散化、網(wǎng)絡(luò)化智能化發(fā)展的方向，它已經(jīng)變成了全球工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的熱點(diǎn)，受到全世界的普遍關(guān)注?，F(xiàn)場(chǎng)總線的出現(xiàn)，導(dǎo)致目前生產(chǎn)的自動(dòng)化儀表、集散控制系統(tǒng)（DCS）、可編程控制器（PLD）在產(chǎn)品的體系結(jié)構(gòu)、功能方面發(fā)生了較大的變革，自動(dòng)化設(shè)備的制造廠家被迫面臨產(chǎn)哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文8品更新?lián)Q代的又一次挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的模擬儀表將逐步讓位于智能化數(shù)字儀表，并具備了數(shù)字通訊功能。出現(xiàn)了一批集檢測(cè)、運(yùn)算、控制功能于一體的變送控制器；出現(xiàn)了帶有控制模塊和具有故障信息的執(zhí)行器，并由此大大改變了現(xiàn)有的設(shè)備維護(hù)管理方法?，F(xiàn)場(chǎng)總線是用于過程控制現(xiàn)場(chǎng)儀表與控制室之間的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的、開放的、雙向的多站數(shù)字通信系統(tǒng)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、集成電路技術(shù)的發(fā)展，以全數(shù)字式現(xiàn)場(chǎng)總線（FIELDBUS）為代表的互聯(lián)規(guī)范，正在迅猛發(fā)展和擴(kuò)大。由于采用現(xiàn)場(chǎng)總線將使控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)安裝費(fèi)用減少并且易于維護(hù)；用戶可以自由選擇不同廠商、不同品牌的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備達(dá)到最佳的系統(tǒng)集成等一系列的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)正越來越受到人們的重視。近十幾年由于現(xiàn)場(chǎng)總線的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)不能建立，現(xiàn)場(chǎng)總線發(fā)展的種類較多，約有40余種：如德國(guó)西門子公司Siemens的ProfiBus，法國(guó)的FIP，英國(guó)的ERA，挪威的FINT，Echelon公司的LONWorks，PhenixContact公司的InterBus，德國(guó)RoberBosch公司的CAN，Rosemounr公司的HART，CarloGarazzi公司的Dupline，丹麥ProcessData公司的P-net，PeterHan公司的F-Mux，以及ASI（ActraturSensorInterface），MODBus，SDS，Arcnet，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織-基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線FF：FieldBusFoundation，WorldFIP，BitBus，美國(guó)的DeviceNet與ControlNet等等?，F(xiàn)場(chǎng)總線的種類主要有：基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線FF，ProfiBus，WorldFIP，ControlNetDeviveNet，CAN等。1.4.2CAN總線工作方式與特點(diǎn)各種總線特點(diǎn)不同，應(yīng)用方式和范圍也不盡相同。其中CAN由于其高性能、高可靠性及獨(dú)特的設(shè)計(jì)，CAN越來越受到人們的重視。國(guó)外已有許多大公司的產(chǎn)品采用了這種技術(shù)。CAN最初是由德國(guó)BOSCH公司為汽車監(jiān)測(cè)、控制系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的。眾所周知，現(xiàn)代哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文9汽車越來越多地采用電子裝置控制，如發(fā)動(dòng)機(jī)的定時(shí)、注油控制、加速、剎車控制（ASC）及復(fù)雜的抗鎖定剎車系統(tǒng)（ABS）等。由于這些控制需檢測(cè)及交換大量的數(shù)據(jù)，采用采取主從方式不但繁瑣、昂貴，而且難以解決問題，采用CAN總線上述問題便得到了很好的解決。據(jù)資料介紹，世界上一些著名的汽車制造廠商，如BENZ（奔馳）、BMW（寶馬）、PORSCHE（保時(shí)捷）、PRLLS-ROYCE（勞斯萊斯）和JAGUAR（美洲豹）都開始采用CAN總線來實(shí)現(xiàn)汽車內(nèi)部控制系統(tǒng)與各檢測(cè)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)間的數(shù)據(jù)通訊。CAN(ControllerAreaNetwork)稱為控制局域網(wǎng)，屬于總線式通訊網(wǎng)絡(luò)。CAN總線規(guī)范了任意兩個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)之間的兼容性，包括電氣特性及數(shù)據(jù)解釋協(xié)議，CAN協(xié)議分為二層：物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。物理層決定了實(shí)際位傳送過程中的電氣特性，在同一網(wǎng)絡(luò)中，所有節(jié)點(diǎn)的物理層必須保持一致，但可以采用不同方式的物理層。CAN的數(shù)據(jù)鏈路層功能包括幀組織形式，總線仲裁和檢錯(cuò)、錯(cuò)誤報(bào)告及處理，確認(rèn)哪個(gè)信息要發(fā)送的，確認(rèn)接收到的信息及為應(yīng)用層提供了接口。CANBUS網(wǎng)絡(luò)上任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)向網(wǎng)絡(luò)上的其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，而不分主從。通訊靈活，可方便地構(gòu)成多機(jī)備份系統(tǒng)及分布式監(jiān)測(cè)、控制系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)可分成不同的優(yōu)先級(jí)以滿足不同的實(shí)時(shí)要求。采用非破壞性總線裁決技術(shù)，當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向網(wǎng)絡(luò)上傳送信息時(shí)，優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)主動(dòng)停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)。具有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播傳送接收數(shù)據(jù)的功能。通訊距離最遠(yuǎn)可達(dá)10KM5KBPS，通訊速率最高可達(dá)1MBPS40M。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)實(shí)際可達(dá)110個(gè)。每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個(gè)，這樣傳輸時(shí)間短，受干擾的概率低。每幀信息都有CRC校驗(yàn)及其它檢錯(cuò)措施，數(shù)據(jù)出錯(cuò)率極低，可靠性極高通訊介質(zhì)采用廉價(jià)的雙絞線即可，無(wú)特殊要求。在傳輸信息出錯(cuò)嚴(yán)重時(shí)，節(jié)點(diǎn)哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文10可自動(dòng)切斷它與總線的聯(lián)系，以使總線上的其它操作不受影響。CAN網(wǎng)絡(luò)具有如下特點(diǎn)：1CAN屬于總線式串行網(wǎng)絡(luò)，由于其采用了許多新技術(shù)及獨(dú)特的設(shè)計(jì)，與一般的通訊總線相比，CAN總線上的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性。其特點(diǎn)可概括如下：CAN為多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任意節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，而從不分主從，通信方式靈活，且無(wú)需站地址等信息。利用這一特點(diǎn)可方便的構(gòu)成多機(jī)備份系統(tǒng)。2CAN網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)信息分成不同的優(yōu)先級(jí)，可滿足不同的實(shí)時(shí)要求，高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)最多可在134us內(nèi)得到傳輸。3CAN采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送信息時(shí)，優(yōu)先級(jí)較低的節(jié)點(diǎn)會(huì)主動(dòng)退出總線，而優(yōu)先級(jí)較高的節(jié)點(diǎn)可不受影響的傳送數(shù)據(jù)，從而大大節(jié)省了總線沖突仲裁時(shí)間。尤其是在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很重的情況下也不會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓情況（以太網(wǎng)則可能）。4CAN只需通過報(bào)文濾波即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播等幾種方式傳送數(shù)據(jù)，而無(wú)需專門的“調(diào)度”。5CAN的直接通訊距離最yuankeda10KM（速率5kps以下）；通訊速率最多可達(dá)1Mbps（此時(shí)通訊距離最長(zhǎng)40m）。6CAN上的節(jié)點(diǎn)數(shù)主要取決于總線驅(qū)動(dòng)電路，目前可達(dá)110個(gè)；報(bào)文標(biāo)識(shí)符可達(dá)2030種（CAN2.0A）而擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)（CAN2.0B）的報(bào)文標(biāo)識(shí)符幾乎不受限制。7采用短幀結(jié)構(gòu)，通訊距離短，受干擾率低，具有極好的檢測(cè)效果。哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文118CAN的每幀信息都有CRC校驗(yàn)和其它檢錯(cuò)措施，保證了數(shù)據(jù)出錯(cuò)率極低。9CAN的通訊介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活。10CAN節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤影響嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)關(guān)閉輸出功能，以使總線上其它節(jié)點(diǎn)的操作不受影響。圖1.3為總線應(yīng)用原理圖圖1.3總線應(yīng)用原理圖1.5RS422到CAN總線轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)1.5.1RS422到CAN總線轉(zhuǎn)換器意義由于船舶中的很多底層控制儀器、智能儀表和可編程控制器起初都是在DCS（集散式控制系統(tǒng)）的模型下傳輸數(shù)據(jù)的，都帶有RS422串行數(shù)據(jù)輸入輸出接口，如果想把它們連接進(jìn)安全性更高，實(shí)時(shí)性更好的CAN總線網(wǎng)絡(luò)，那么將所有的底層控制儀器、智能儀表和可編程控制器都換成帶有CAN接口的儀器成本很高，且要將所有的一起儀器儀表全部更換，費(fèi)工費(fèi)時(shí)。這時(shí)使用一個(gè)能把RS422轉(zhuǎn)換成CAN的轉(zhuǎn)換器就可以解決實(shí)際問題，它是一種模塊化的轉(zhuǎn)換器，直接使用儀器儀表上的RS422接口，不需要對(duì)原先任何器件進(jìn)行硬件處理，就可以把底層儀表接入CAN總線，更有優(yōu)哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文12勢(shì)的地方是它并不是一對(duì)一的，將一路的RS422數(shù)據(jù)與一路CAN數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，而是多對(duì)一的，也就是使用一個(gè)控制芯片可以轉(zhuǎn)換多路RS422數(shù)據(jù)。轉(zhuǎn)換成本將會(huì)大大降低，并且充分使用硬件資源。這種轉(zhuǎn)換器在船舶導(dǎo)航控制、及其他的CAN總線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與選擇中將會(huì)有很重要的作用與應(yīng)用空間。1.5.2RS422到CAN總線轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)要求我們所要求設(shè)計(jì)的RS422到CAN總線轉(zhuǎn)換器是基于組合導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用。它是連接組合導(dǎo)航系統(tǒng)中各個(gè)智能儀表，測(cè)控元件與工控計(jì)算機(jī)還有人工控制系統(tǒng)的線路，相當(dāng)于系統(tǒng)中的交通運(yùn)輸線，在導(dǎo)航系統(tǒng)及其它相互連接的自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用。具體的設(shè)計(jì)要求如下：1能從各個(gè)節(jié)點(diǎn)、智能儀表儀器發(fā)過來的串行數(shù)據(jù)存入C8051F040（所選澤的帶有CAN接口的51單片機(jī)）中，因?yàn)榘l(fā)過來的數(shù)據(jù)并不只是一路，因此所作的器件要有自動(dòng)辨別是由哪路串口進(jìn)來的數(shù)據(jù)，并且將數(shù)據(jù)分別存入指定的存儲(chǔ)區(qū)域中。2能將由符合RS422的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成符合CAN總線的幀結(jié)構(gòu)。并且當(dāng)CAN總線中的其他節(jié)點(diǎn)需要此數(shù)據(jù)時(shí)，將數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)區(qū)中取出并實(shí)時(shí)的發(fā)送出去。3此轉(zhuǎn)換器屬于自動(dòng)工作器件，因此高安全性時(shí)期要保證的重要的一個(gè)方面，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障或跑飛的時(shí)候，能夠自動(dòng)重新工作，即具有自動(dòng)重啟功能。4結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，安裝方便。由于船舶在航行過程中要不斷的根據(jù)外界環(huán)境的變化來實(shí)時(shí)控制船舶的航行，而且由于船體的特殊的構(gòu)造，及用途不同，船體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也不盡相同，使得船舶上面的各個(gè)部門的控制人員要實(shí)時(shí)的分享所需要的信息變得十分困難，這就阻礙了船舶的實(shí)時(shí)控制。所以設(shè)計(jì)方向應(yīng)該是簡(jiǎn)單實(shí)用。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于使用和修理；成本低廉，是要面向各哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文13種類型的船舶；安裝方便，可以在船舶上實(shí)時(shí)的使用，不需要專業(yè)人員、專業(yè)技術(shù)。5模塊化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)換器在硬件上不需要依靠其他儀器進(jìn)行工作，是獨(dú)立的，這樣當(dāng)轉(zhuǎn)換器出現(xiàn)故障來不及修理時(shí)，可以用一個(gè)備用的先換上，不影響船舶內(nèi)的通訊與工作。換下來的修好后可當(dāng)備用的轉(zhuǎn)化器使用。1.5.3RS422到CAN總線轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)方案根據(jù)具體的設(shè)計(jì)要求，我設(shè)計(jì)了一個(gè)方案，經(jīng)過老師和研究生的指導(dǎo)，略有改動(dòng)，并最終確定了設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)方案力求簡(jiǎn)單、實(shí)效、穩(wěn)定使設(shè)計(jì)出來的產(chǎn)品具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、安裝方便的優(yōu)點(diǎn)。具體的設(shè)計(jì)方案如下：用一片C8051F040單片機(jī)作為轉(zhuǎn)化器的中心芯片，它來完成轉(zhuǎn)換器的中心工作.它完成三種功能，一是完成軟件方面的功能，能把RS422協(xié)議傳輸?shù)淖止?jié)和按CAN協(xié)議傳輸?shù)膸嗷マD(zhuǎn)換；二是完成邏輯電平對(duì)CAN總線邏輯電平的轉(zhuǎn)換和其他的CAN通訊協(xié)議的轉(zhuǎn)換；三適當(dāng)系統(tǒng)遇到軟件或硬件故障時(shí)，能重新自動(dòng)復(fù)位，使其能在無(wú)人情況下更加穩(wěn)定地自動(dòng)工作。PCA82C50是飛利浦公司的CANX總線收發(fā)接口電路，借此可擴(kuò)大在負(fù)載能力，可支持多大110個(gè)節(jié)點(diǎn)相連接。串行接收發(fā)送方面一片TL16C554C串行通訊擴(kuò)展單片機(jī)接收從四個(gè)MAX1490A傳輸過來的數(shù)據(jù)。MAX1490A完成RS422總線邏輯電平對(duì)TTL邏輯電平的轉(zhuǎn)換。這樣就大體上形成了轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)，我也就是按照這一結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案來設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換器的。本章總結(jié)緒論部分主要介紹的是當(dāng)前在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的各種總線方式，如RS422總線和CAN總線，比較了他們各自的優(yōu)缺點(diǎn)，以及發(fā)展趨勢(shì)。在當(dāng)前環(huán)境下，雖然DCS集散控制系統(tǒng)仍然占有市場(chǎng)較大份額，但現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展趨勢(shì)是阻止不了的，通訊網(wǎng)絡(luò)形成真正的開放哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文14互聯(lián)系統(tǒng)已是大勢(shì)所趨。RS422總線到CAN總線的轉(zhuǎn)換器正是這種條件下，有DCS向FCS（現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)）轉(zhuǎn)換下的產(chǎn)物，具有很高的市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。目前市場(chǎng)上已有這種轉(zhuǎn)換器，四星電子BH-485RS422RS485CAN接口保護(hù)器，中牟源動(dòng)力科技的光電隔離型RS422485中繼器，但這種產(chǎn)品只是一對(duì)一的轉(zhuǎn)換，而這次設(shè)計(jì)的一個(gè)轉(zhuǎn)換器可以進(jìn)行四路RS422串行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，充分利用了硬件資源，節(jié)約成本，具有更高的應(yīng)用價(jià)值。哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文15第二章轉(zhuǎn)換器硬件設(shè)計(jì)從硬件考慮，轉(zhuǎn)換器應(yīng)能把符合RS485RS422的標(biāo)準(zhǔn)的邏輯電平和符合CAN邏輯的電平相互轉(zhuǎn)換，從軟件考慮，橋接器應(yīng)能把按RS485RS422協(xié)議傳輸?shù)淖止?jié)和按CAN協(xié)議傳輸?shù)膸嗷マD(zhuǎn)換。芯片MAX1490A完成RS422總線邏輯電平對(duì)TTL邏輯電平的轉(zhuǎn)換，芯片TL16C554完成異步通訊串行通訊口的擴(kuò)展，CF8051F040是帶CAN控制器的通訊模塊，它完成三種功能，一是完成軟件方面的功能，能把RS485RS422協(xié)議傳輸?shù)淖止?jié)和按CAN協(xié)議傳輸?shù)膸嗷マD(zhuǎn)換；二是完成邏輯電平對(duì)CAN總線邏輯電平的轉(zhuǎn)換和其他的CAN通訊協(xié)議；三是充當(dāng)看門狗，自動(dòng)復(fù)位。PCA82C50是飛利浦公司的CAN總線收發(fā)接口電路，擴(kuò)大在負(fù)載能力。2.1單片機(jī)及所用器件簡(jiǎn)介眾所周知，近10年來微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展速度是十分迅速的，其發(fā)展方向有兩個(gè)方面：其一是不斷推出高性能的通用微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。這類通用微機(jī)系統(tǒng)，其中央處理機(jī)為一塊大規(guī)模的集成電路，稱為微處理器，配上數(shù)量不等的外圍接口電路和內(nèi)存電路，組成主機(jī)，加接終端、打印機(jī)、磁盤等IO設(shè)備，構(gòu)成微機(jī)系統(tǒng)。如Z80系列的TRS-80CROMEMCO6502的APPLEIBMPC550等。還有各種個(gè)人計(jì)算機(jī)和單板機(jī)，它們正取代原中小型的甚至大型的計(jì)算機(jī)的作用，并使計(jì)算機(jī)普及到各個(gè)行業(yè)甚至是家庭。通用微型機(jī)主要用作科學(xué)計(jì)算和管理。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，微處理器的功能不斷得到加強(qiáng)：（1）字長(zhǎng)：從8位、16位，到32位；（2）提高CPU的處理能力和處理速度；（3）采用先進(jìn)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，適合于組成微機(jī)網(wǎng)絡(luò)；哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文16其二是面向控制型應(yīng)用領(lǐng)域的單片微型計(jì)算機(jī)（亦稱微控制器）的大量生產(chǎn)和廣泛應(yīng)用。世界上著名的器件公司如INTELZILOGNEC等大公司都生產(chǎn)單片微型計(jì)算機(jī)系列。由于單片機(jī)具有高可靠性、超小型、價(jià)格低、容易產(chǎn)品化等優(yōu)點(diǎn)，單片機(jī)在智能儀器儀表、實(shí)時(shí)工業(yè)控制、智能終端、通信設(shè)備、導(dǎo)航系統(tǒng)、家用電器等控制型應(yīng)用領(lǐng)域具有廣泛的用途，正取代各種類型的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。單片機(jī)與CAN總線連接的傳統(tǒng)方式是將CPU與總線控制器和總線收發(fā)器相連后再接入總線網(wǎng)絡(luò)，這樣使CPU外圍電路復(fù)雜化，整個(gè)系統(tǒng)受外部影響較大。為了解決這一問題，很多單片機(jī)廠商紛紛將CAN控制器集成在單片機(jī)芯片上。目前，單片機(jī)內(nèi)部集成的CAN控制器有Motorola公司的MC68HC912DG128A、Philips公司的P87C591、Atmel公司的AT89C51CC01和AT89C51CC02、Intel公司的TN87C196CA和TN87C196CB以及Cygnal公司的C8051F040等。由于我們應(yīng)用的主要是C8051FO4X系列的單片機(jī)，下面我就來介紹一下C8051FO4X系列單片機(jī)的特性。2.1.1C8051F040單片機(jī)的特點(diǎn)和應(yīng)用C8051F040單片機(jī)是美國(guó)Cygnal公司生產(chǎn)的完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯SoC(SystemonChip)，具有與8051指令集完全兼容的CIP-51內(nèi)核。它在一塊芯片上集成了構(gòu)成一個(gè)單片機(jī)數(shù)據(jù)采樣或控制系統(tǒng)所需要的幾乎所有模擬和數(shù)字外設(shè)及其它功能部件。功能部件包括模擬多路選擇器、可編程增益放大器、ADC、DAC、電壓比較器、電壓基準(zhǔn)、溫度傳感器、SMbusI2C、UART、SPI、CANbus2.0B、可編程計(jì)數(shù)器定時(shí)器陣列(PCA)、計(jì)數(shù)器定時(shí)器、8b寬的通用數(shù)字IO端口、電源監(jiān)視器、看門狗定時(shí)器(WDT)和時(shí)鐘振蕩器等。此單片機(jī)有64Kb在系統(tǒng)可編程FLASH程序存儲(chǔ)器和4352b的RAM，執(zhí)行速度可達(dá)25MIPS。片內(nèi)JTAG仿真電路提供哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文17全速、非侵入式(不使用片內(nèi)資源)的電路仿真，支持?jǐn)帱c(diǎn)、單步觀察點(diǎn)、運(yùn)行和停止等調(diào)試命令，支持存儲(chǔ)器和寄存器校驗(yàn)和修改。圖2.1為C8051F040芯片結(jié)構(gòu)圖2.1C8051F040芯片結(jié)構(gòu)C8051F040片內(nèi)帶有CAN控制器，符合Bosch2.0A和2.0B技術(shù)規(guī)范，允許使用CAN協(xié)議進(jìn)行串行通訊。CAN控制器的工作速率可高達(dá)1Mbits。Cygnal公司的C8051F04X的CAN有32個(gè)信息目標(biāo)，每個(gè)信息目標(biāo)都有自己的標(biāo)識(shí)符屏蔽用來對(duì)接收信息進(jìn)行接收濾波。輸入數(shù)據(jù)，信息目標(biāo)和標(biāo)識(shí)符屏蔽都存儲(chǔ)在CAN信息RAM中。所有進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和接收濾波的協(xié)議功能都是由CAN控制器執(zhí)行的，而微控制器單元MCU在此并不起作用。這樣，使用CAN通信需要很小的CPU帶寬。通過MCU內(nèi)的特殊功能寄存器，MCU可配置CAN控制器，訪問接收到的數(shù)據(jù)以及傳輸數(shù)據(jù)。因此，C8051F040可完成CAN總線協(xié)議的數(shù)據(jù)哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文18鏈路層和應(yīng)用層的所有功能，圖2.2為CAN控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2.2CAN控制器內(nèi)部工作結(jié)構(gòu)C8051F04X系列芯片自帶看門狗定時(shí)器，在系統(tǒng)時(shí)鐘下工作，看門狗（WDT）溢出將會(huì)迫使芯片進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。為了阻止復(fù)位，WDT必須在溢出之前利用應(yīng)用程序重新啟動(dòng)，如果系統(tǒng)遇到一個(gè)硬件或軟件故障，阻止系統(tǒng)重新啟動(dòng)WDT，WDT將會(huì)溢出并引發(fā)復(fù)位，這可以組織系統(tǒng)跑飛。這樣擁有硬件定時(shí)復(fù)位功能，相對(duì)于軟件定時(shí)復(fù)位抗干擾能力更強(qiáng)；可以不需任何外圍器件自動(dòng)進(jìn)行可靠的上電復(fù)位，并且對(duì)軟件運(yùn)行狀況和外界電源狀況進(jìn)行監(jiān)視；實(shí)現(xiàn)程序失控后按自己設(shè)想的程序恢復(fù)執(zhí)行，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，保證了系統(tǒng)的安全性和數(shù)據(jù)可靠性。CAN內(nèi)核由CAN協(xié)議控制器和負(fù)責(zé)消息收發(fā)的串行并行轉(zhuǎn)換RXTX移位寄存器組成。消息RAM用于存儲(chǔ)消息目標(biāo)和每個(gè)目標(biāo)的仲裁掩碼。這種CAN處理器有32個(gè)隨意配置為發(fā)送和接受的消息目標(biāo)，并且每一個(gè)消息目標(biāo)都有它自己的識(shí)別掩碼，所有的數(shù)據(jù)傳輸和接收濾波都是由CAN控制器完成的，而不是由CIP-51來完成。這樣就可以減少CAN的處理時(shí)間。哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文19CAN內(nèi)部寄存器中存儲(chǔ)了所有CAN的控制和配置信息，其中包括控制寄存器、狀態(tài)寄存器、設(shè)置波特率的位定時(shí)寄存器、測(cè)試寄存器、錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器和消息接口寄存器。通常CAN內(nèi)核不能直接訪問消息RAM，而必須通過接口寄存器IF1或IF2來訪問。另外，CIP-51的SFR并不能直接訪問CAN內(nèi)部寄存器的所有單元，其配置CAN、消息目標(biāo)、讀取CAN狀態(tài)以及獲取接收數(shù)據(jù)、傳遞發(fā)送數(shù)據(jù)都由SFR中的6個(gè)特殊寄存器來完成，其中CANOCN、CANOTST和CANOSTA3個(gè)寄存器可直接獲取或修改CAN控制器中對(duì)應(yīng)的寄存器，而CANODATH、CAN0DATL、CANOADR3個(gè)寄存器主要用來訪問修改其它不能直接訪問的CAN內(nèi)部寄存器，其中CANOADR用來指出要訪問寄存器的地址，CANODATH、CAN0DATL這時(shí)就相當(dāng)于要訪問的位寄存器的高、低字節(jié)的映射寄存器，而對(duì)它們的讀寫則相當(dāng)于對(duì)所指向寄存器的讀寫。圖2.2給出了CIP-51如何訪問中控制寄存器和每個(gè)消息的路徑圖。2.1.2PCA82C250總線收發(fā)器由于Cygnal的C8051F040內(nèi)部的CAN控制器只是個(gè)協(xié)議控制器，不能提供物理層驅(qū)動(dòng)，所以在使用時(shí)還需外加CAN總線收發(fā)器，常用的CAN總線收發(fā)器有Philips公司的PCA82C250收發(fā)器、高速TJA1050收發(fā)器等。這里使用的是PCA82C250收發(fā)器.它可提高總線的差動(dòng)發(fā)送和接收能力。它與ISO11898標(biāo)準(zhǔn)完全兼容，有三種不同的工作方式，即高速、斜率控制和待機(jī)，可根據(jù)實(shí)際情況選擇。位速度可高達(dá)1Mbits。PCA82C250能驅(qū)動(dòng)大量的總線節(jié)點(diǎn)即每個(gè)網(wǎng)絡(luò)64到100個(gè)同時(shí)總線長(zhǎng)度可達(dá)0.5到1km。圖2.3為PCA82C250器件外觀圖哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文20圖2.3PCA82C250器件外觀圖PCA82C250提供了一個(gè)參考電壓輸出VREF，它可以用于偏置CAN協(xié)議控制器差動(dòng)輸入比較器的其中一個(gè)輸入?yún)⒖茧妷?，在協(xié)議控制器輸入處產(chǎn)生系統(tǒng)使用哪個(gè)解決方法更適合由應(yīng)用和協(xié)議控制器的總線輸出結(jié)構(gòu)決定。PCA82C250共有三種不同的工作模式通過控制Rs引腳選擇是那一種模式。第一種模式是高速模式：它支持最大的總線速度和長(zhǎng)度。第二種是斜率模式：當(dāng)使用非屏蔽的總線電纜時(shí)可以考慮使用這種模式的輸出轉(zhuǎn)換速度可被故意降低以減少電磁輻射。第三種是準(zhǔn)備模式：這種模式在電池供電的應(yīng)用要求系統(tǒng)功率消耗非常低的應(yīng)用中非常有用在準(zhǔn)備模式中傳輸一個(gè)報(bào)文就可以將系統(tǒng)激活，是收發(fā)器在準(zhǔn)備模式和普通工作模式間切換的例子。CAN總線網(wǎng)絡(luò)中可使用的最大總線線路長(zhǎng)度基本是由下面的物理?xiàng)l件作用決定：1連接的總線節(jié)點(diǎn)CAN控制器收發(fā)器等等的循環(huán)延遲以及總線線路的延遲。2由于節(jié)點(diǎn)間相關(guān)的振蕩器容差造成位定時(shí)額度的不同。3由于總線電纜的串聯(lián)阻抗和總線節(jié)點(diǎn)的輸入阻抗使信號(hào)的幅值下降。PCA82C250可以在高速模式下使用下面的總線電纜長(zhǎng)度其中為了獲得最大的傳播延遲CAN位定時(shí)參數(shù)可以優(yōu)化位速度與哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文21總線長(zhǎng)度的關(guān)系，表2.1為總線長(zhǎng)度與位速率的關(guān)系。表2.1總線長(zhǎng)度與位速率的關(guān)系C8051F040與PCA82C2的通訊硬件模塊硬件電路度如圖2.3所示。圖2.3:總線CAN接口電路圖為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的抗干擾能力，具體的連接方式為：在CAN控制器引腳CANTX、CANRX和收發(fā)器PCA82C250之間并不是直接相連，而是通過由高速光耦6N137構(gòu)成的隔離電路后再與PCA82C250相連，這樣就可以很好的實(shí)現(xiàn)總線上各節(jié)點(diǎn)的電氣隔離。這部分增加了節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜性，但它卻提高了節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性和安全性。在PCA80C250與CAN總線接口部分也采用了一些安全和抗干擾措施。PCA82C250的CANH和CANL引腳各自通過一個(gè)5的電阻與CAN總線相連，電阻可起到一定的限流作用，從而保護(hù)PCA82C250免受過流的沖擊。在CANH和CANL與地之間各自接一個(gè)30pF的小電容，可以起到濾除總線上的高頻干擾和防電磁輻射的能力。另外，在CANH和CANL之間并聯(lián)一個(gè)15V的瞬哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文22態(tài)電壓抑制二極管（TVS），可以保護(hù)PCA80C250在瞬間高電壓情況下而不受損壞。PCA82C250的RS腳上接有一個(gè)下拉電阻，電阻的大小可根據(jù)總線速率適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，其值一般在16k140k之間，圖2中選用47k。C8051F040供電電源為2.7V3.6V其所有IO口允許5V（極限值為5.8V）輸入，但是IO輸出電平為VDD。而PCA82C250為5V系統(tǒng)，為了能夠驅(qū)動(dòng)其工作，在CANTX引腳上拉一上拉電阻，其值為4.7k。2.1.32.1.3通訊擴(kuò)展器件TL16C554在異步串行通信中，一般都要求設(shè)備的串行口要符合RS232、RS485422等串行通信標(biāo)準(zhǔn)，并按該標(biāo)準(zhǔn)定義的信號(hào)進(jìn)行信息控制和數(shù)據(jù)傳輸，能夠?qū)崿F(xiàn)該功能的集成電路通常稱為UART，即通用異步接收器發(fā)送器。利用C8051F040構(gòu)成主從式多機(jī)串行通信系統(tǒng)時(shí)發(fā)現(xiàn)，主機(jī)C8051F040要與四個(gè)RS422器件進(jìn)行串行通訊，此時(shí)便有必要進(jìn)行串口擴(kuò)展，此時(shí)采用4通道異步收發(fā)器TLI6C554顯然是一種較好的選擇。TLI6C554是TI公司生產(chǎn)的4通道異步收發(fā)器集成芯片，在FIFO模式下，傳輸和接收前將數(shù)據(jù)緩沖為16字節(jié)數(shù)據(jù)包，減少了CPU的中斷數(shù)量。內(nèi)部包含4片改良的16C550異步傳輸器件，使得串行IO更加可靠，每個(gè)信道可實(shí)現(xiàn)串行和并行兩種連接方式的轉(zhuǎn)換，每個(gè)信道的狀態(tài)可以通過CPU的操作讀取，可以獲取操作情況或任何的錯(cuò)誤狀態(tài)。三態(tài)輸出為雙向數(shù)據(jù)總線和控制總線提供1TrL驅(qū)動(dòng)能力、優(yōu)先級(jí)中斷系統(tǒng)控制、可編程的串行接口特性。TLI6C554的主要特點(diǎn)如下：內(nèi)部包含4片TLI6C55最高可達(dá)1M的波特率，且波特率發(fā)生器可用軟件設(shè)定；帶有16字節(jié)帶錯(cuò)誤標(biāo)志的接收FIFO緩沖器；具有可編程的串行數(shù)據(jù)發(fā)送格式，數(shù)據(jù)位長(zhǎng)度為5、6、7、8；具有偶校驗(yàn)、奇校驗(yàn)或無(wú)校驗(yàn)?zāi)Ｊ剑Ｖ刮婚L(zhǎng)度為1、1.5、2；具有標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)制解調(diào)器接口；有68引腳PLCC和80引腳TQFP兩種封裝形式。TL16C554的引腳功能TL16C554哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文23的引腳排列如圖2.4所示，其主要引腳的功能如下：A0A2為片內(nèi)寄存器的選擇信號(hào)端；DOD7為雙向812數(shù)據(jù)線；IOR為讀選通端(低電平有效)；IOW為寫選通端(低電平有效)；INTAINTD為中斷，A、B、C、D端(高電平有效CSACSD為片選A、B、C、D(低電平有效)XTAL1、XTAL2為外部時(shí)鐘端，該兩腳可接晶振或外部時(shí)鐘信號(hào)；RXARXD為串行輸入A、B、C、D端；TXATXD為串行輸出A、B、C、D端；RXRDY為接收準(zhǔn)備好信號(hào)端(低電平有效TXRDY為發(fā)送準(zhǔn)備好信號(hào)端(低電平有效)。圖2.4TL16C554封裝形式TL16C554的數(shù)據(jù)線(D7D0)可直接與CPU的數(shù)據(jù)總線的低8位相連，它們是UART的數(shù)據(jù)輸入和輸出通道。它的參考時(shí)鐘既可以由外部提供，也可以通過一個(gè)晶振在內(nèi)部產(chǎn)生。而UART與CPU之的通信控制通過一組信號(hào)線來實(shí)現(xiàn)，這組信號(hào)線包括復(fù)位控制RESET、通道選擇、寄存器選擇、中斷請(qǐng)求、讀選通端IOR和寫選哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文24通端IOW等。MODEM控制邏輯主要用于完成UART與RS232之間的接口通信，這些信號(hào)通過EIA驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)后均符合RS232標(biāo)準(zhǔn)。TL16C554的片內(nèi)寄存器ACE內(nèi)部共有11個(gè)寄存器，這些寄存器分別用于實(shí)現(xiàn)通信參數(shù)的設(shè)置、對(duì)線路及MODEM的狀態(tài)訪問、數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收以及中斷管理等功能?？捎葾0、A1、A2三條片內(nèi)寄存器選擇線和線路控制寄存器的除法數(shù)鎖存器訪問位DLAB一起通過多路復(fù)用進(jìn)行訪問或控制ACE的任何一個(gè)寄存器。表2為訪問這些寄存器時(shí)DLAB和A0、A1、A2的狀態(tài)。表2寄存器地址因?yàn)榻邮瞻l(fā)送緩沖寄存器的DLAB、A0、A1、A2各位都相同，因此還必須通過讀寫信號(hào)來加以區(qū)分。利用TL16C554擴(kuò)C8051F040串口的硬件電路由于異步串行通信中，字符的到達(dá)時(shí)間及間隔時(shí)間往往無(wú)法預(yù)測(cè)，此時(shí)如果采用查詢方式將會(huì)浪費(fèi)大量的CPU時(shí)間，降低系統(tǒng)的性能。在實(shí)際